杜昱光：你可知解密健康的“甜蜜钥匙”？
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大家好，非常感谢热心肠研究院提供这样的一个平台，让我能跟大家一起来进行交流。我交流的题目是《基于大肠器官芯片的营养糖生物学研究与应用》。
实际上就是希望利用大肠器官芯片的一些新技术平台，来研究营养糖生物学当中的一些问题。
我将从这几个方面展开，一个是研究的一些背景，包括一些肠道芯片的搭建，以及它的一些具体的应用。
每天我们吃进去的食物、一些容易吸收的活性物质会在十二指肠被吸收入血，大部分的食物都会进到我们的大肠。
在这个部位，形成了一个数以10万亿计的微生物的种群。这些微生物通过进一步地对食物当中的一些成分进行代谢，对我们各个器官产生一系列的影响。
以色列的一位专家也已经告诉我们：任何一个慢性病的发生，都是跟我们肠道里边的菌群变坏是相关的。
食物从口腔进入，再到胃，到十二指肠，然后再经过大肠，经过了一个加工，然后最终食物到了大肠的时候，会被微生物进行转化。
在这个过程当中，由于我们肠道中的氧的分压、pH以及胆汁酸的浓度，都会发生一系列的变化，这实际上会直接对人体的健康会起到非常大的一些作用。
甜蜜的生命密码
我们把大肠切开来去看它的横断面，红框里边的黏液层，这一部分恰恰是微生物聚集在我们的肠道里非常关键的一层膜，也恰恰是保护着我们的肠道非常重要的一个这样的黏液层。
这些的黏液层我们把它放大来看是什么呢？它是由蛋白以及大量的糖链来构成的。
而我们正准备再去找一个食物和肠道菌群的图的时候，看到了一个图。我们在这张图的中心看到了一个阴阳的平衡，看到了太极的影子，而且也正是我们每天入口到大肠的食物和我们肠道里的微生物形成的这种相互的作用，而形成了一个阴阳的平衡，共同调节着我们肠道里的微生物。
我们每天吃进的食物当中有很多的糖链，而我们肠道中很多微生物的细胞壁上有大量的糖链。这些糖链、食物当中的糖链、我们肠黏液层上的糖链，这三种糖链在我们的肠道里发生着相互作用，形成什么呢？实际上应该是“糖组学”的概念。
这是一个小鼠肠道的剖面图，我们看到的红色的部分是中间的粪便带着菌，而绿色的那部分实际上就是黏液层。
把黏液层剖析来看，它是由很多的蛋白链，我们把它叫做MUC2（黏蛋白2），上面有大量的糖链以O连接的方式跟这个蛋白相连接。而这些糖链的结构，恰恰就是这些肠道里的一些微生物所识别、粘附、定植的重要的靶点的结构。
一旦上面的糖链发生了改变，可以想象定植的微生物就会随之而发生一系列的改变。如果糖链没有加工上去的话，就直接造成了什么呢？就是这种类似肠炎的结果。
实际上目前科学界已经把糖链认为是“生命的密码”，因为它是生命巨大信息的一个载体。
举个例子来讲，糖链跟血型、跟疾病有什么关系呢？我们的血型实际上就受糖链来控制的。A血型跟O血型就差一个糖，把这个糖切掉，这个人就是O型血。
而我们现在临床的医生又发现了一个现象，就是说为什么O血型的人比B血型的人和A血型、AB血型的人更容易感染幽门螺杆菌,这里是否存在着血型跟他的胃黏膜表面糖链的关系？这就给我们提出了一个新的研究的想法。这部分的工作正在进行当中。
我们知道细胞的表面除了蛋白上的糖链，还有脂质上的糖链，另外去年报道在RNA上也发现了糖链。所以，这些糖链对我们人体的代谢调节发挥了重要的一个作用。
我们可以来推测一下，4种不相同的氨基酸组合在一起的话，大概能形成24种排列。如果是4种不同的单糖让它们进行排列的话，它应该能形成3万5千多种结构。
我们知道从基因组到转录组到蛋白组，实际上它是一个按照模板来进行逐级信息量放大的过程。当关注糖组的时候，我们发现糖组的信息载量远远超过蛋白组、转录组和基因组，而且它是非模板驱动的。
甜蜜的科学
在2010年的时候，美国出了一本叫做《转化糖生物学》的书。我国的学者已经把它翻译成了中文，叫做《转化糖科学：未来的风向标》，在这本书里介绍了大量关于糖的重要性。
它说到每一种疾病实际上跟糖链都密切相关。但是目前我们对糖链还是知之甚少，对糖链的研究远远停留在分子生物学和细胞生物学的一个初级的阶段。当然这也是受我们现在的糖链研究的众多方法学的限制，比如说糖链测序仪，比如说糖链全自动合成仪等等。
肠道糖组学是解密肠道里头的很多神奇功能不可或缺的一个重要的研究内容。
于是在20世纪90年代，产生了一个新的学科——糖生物学，它伴随的、对应的就是糖工程。它是随着基因工程、蛋白质工程之后的第三大生物技术，目前认为它是生物化学领域的最后一个前沿，也必然会成为生命科学研究的一个新的热点和新兴的一个万亿产值的新产业的爆发点。
在19世纪，荷兰的一位学者正式地提出了“营养学”的概念，距今也已经有上百年的历史。而“糖生物学”提出的时间也就仅仅20多年。一个传统的营养学和一个现代的糖生物学结合在一起，就是提出的“营养糖生物学”这样的一个概念。
实际上，它是研究功能糖或者是糖链在营养代谢、物质吸收过程当中的一些调控的规律，以及它对于营养改善措施的一个科学。
它主要的研究内容是碳水化合物在营养代谢、吸收过程当中对于机体以及我们体内的糖链结构的影响，包括一些糖链代谢的异常，包括一些早期疾病发生的时候。
当然我们也知道，很多的过敏原实际上就是糖蛋白。如果把糖链切掉的话，它是不存在过敏作用的。
那么我们研究糖生物学，通常是用细胞学的方法。但是细胞学的局限性使这种结果依然不那么可靠。因为我们人体不是单一细胞，它是一个由组织构成的有功能的器官。
那么用动物呢？动物实际上跟人体本身相比，它的代谢存在着很多的区别。无论在新药研究还是在动物实验当中，我们整个花费的费用还是很巨大的。所以在这种情况之下，无论新药的研发还是我们做营养代谢调控，实际上都缺乏一个好的平台和技术。
人体器官芯片
在2010年的时候，哈佛的Ingber团队第一次在Science上正式提出了肺芯片。实际上它是把血管上皮细胞和肺表皮细胞组合，然后中间有一个夹层，形成了两个腔，然后用真空的方式、收缩的方式使得这两个细胞之间产生的这种拉伸而模拟肺泡，形成了一个模拟肺芯片。这个应该说是一个新的技术突破的原点。
从此之后，出现了包括我们看到的一些肠芯片、肝芯片，包括肠、肝、肾组合的芯片，一直到现在正在发展中的各个器官组合的芯片。
这篇文章2010年发表的两年以后，美国前总统奥巴马下任之前公布了一个新项目，实际上就是为器官芯片的研发投入了1.4亿美金。随后在国际《自然》杂志上也是被重点的关注。2016年的达沃斯论坛上，它被列为改变未来世界的十大新兴技术产业。
2017年的时候，美国FDA已经开始用肝芯片来做一些毒性的研究。近几年，数十家与器官芯片相关的公司获得了融资。
2019年，我们的林炳承教授主编，完成了国内第一部相关书籍——《器官芯片》，我们也是很有幸地参与了这本书的大肠器官芯片和血管器官芯片的撰写。
2020年11月18日，中国工程院发布的《全球工程前沿2020》报告当中，在医药卫生领域Top10的工程开发的前沿里，也明确地列出了人体类器官芯片的这样一个技术。
我们可以模拟人体的各个脏器，它们之间通过血液而连接起来，然后我们用不同的细胞把它组织成了一个模拟人体的叠加，就形成了一个多器官组合的芯片。我们可以用这个芯片去研究一些物质的代谢、吸收以及毒性。
于是我们就先做了一款关于营养代谢、吸收的一个芯片。我们也研究了糖的吸收，糖通过十二指肠吸收入血，然后到了肝脏，肝脏经过代谢，下面再接上一个肾芯片，看代谢的产物是否产生毒性。
我们也得到了一系列结果，我们也发现了一些糖的确会在肝脏完成进一步降解。
我们更希望的是能够用器官芯片来解决现在的一些肠道疾病。当然，炎症性肠病（IBD）是一个大家非常关注的肠道常见疾病。
那么我们如何用器官芯片来研究肠炎相关的疾病呢？
肠道相关疾病研究
肠芯片模型构建
我们先设计了一款大肠的芯片，同样是夹层，一个肠上皮细胞和一个血管内皮细胞，然后把它对起来形成一个空腔。这个腔实际上就构成了类肠道，而它的外侧的血管内皮细胞接上巨噬细胞就构成了类血管。
这个是我们筛选出来的能够模拟我们人体45 mbar左右的蠕动膜。
它实际上是形成了大肠的这种皱褶。
益生菌的影响
而且我们也形成了它的厌氧环境。当在这个系统当中接入第二代益生菌——Akk菌的时候，我们发现它能够在里边定植并能更好地生长，说明里面达到了厌氧的环境。
同时我们接入了一些益生菌——乳杆菌，得到了一个很有趣的现象：它能够定植，图中红色的那一部分实际上就是乳杆菌，用WGA（麦胚凝集素）染色的绿色部分就是黏液层的糖链。可以明显地看出有菌和无菌情况下，黏液层的厚度是不一样的。
但是如果把大肠杆菌接进去以后，我们就会发现：无论是用脂多糖（LPS）处理黏液层，还是直接用大肠杆菌，黏液层都会受到损伤。
同时我们用这个平台还可以比较两种益生菌对大肠杆菌引起肠黏膜损伤的修复能力的差别。我们比较了两种不同的菌，获得了一株能够对大肠杆菌所致肠黏膜损伤有修复作用的益生菌。
益生元的影响
我们选择了一种团队研究了将近30年的一种新型益生元，叫做壳寡糖。因为它在自然界当中储量是非常大的，功能也非常的多。
我们用糖链去处理肠芯片的肠上皮细胞时发现，益生元明显地促进了肠上皮细胞黏液层的形成。
同时我们发现了一个现象：当处理之后接上益生菌的时候，处理和不处理的最大的区别是什么呢？是益生菌定植明显增加。
这就给我们一个启示：这个平台还可以用来筛选不同的益生元，定植不同的益生菌。
当然我们还希望能够在体外利用器官芯片塑造一个模型，去筛选一些对于肠道有益的糖链和菌。
于是我们先选用了DSS（硫酸葡聚糖）造模，再加上壳寡糖，同时用5-氨基水杨酸做阳性对照。我们发现，益生元的这种修复能力已经接近于阳性对照药物。
我们把大肠杆菌接入24小时后做成一个损伤肠黏膜表面的模型之后，再接上这种益生元。我们发现，它有明显改善作用，明显地降低了肠腔、血管腔损伤的程度，以及大肠杆菌的数量。
我们还可以去检测它的黏附程度。
同时我们观察到，肠腔和血管腔的炎症因子确实是存在着差别。通过益生元的处理，我们在肠腔里也发现IL-8的降低水平能够达到16倍，而且血管腔的TNF-α的降低也能达到将近4倍。
当然我们也做了一些机制研究，它有降低NF-κB信号通路调节的一个作用。
我们又做了动物实验，我们发现：口服益生元之后，它的吸收入血、各器官分布，以及入脑的情况，跟器官芯片的结果是非常相似。
另外，我们用小鼠进行了DSS造模，然后用壳寡糖干预，同样形成了类似的肠黏液层修复作用。
我们又用了另外一个模型，就是用db/db小鼠。这是个糖尿病鼠，因为血糖高，实际上肠黏液层也是受损的。在这种情况下，干预了益生元了之后，明显地感觉到它有修复的功能。
于是我们就提出了一个结论：这种益生元对于保护、恢复黏液层是非常重要的。
于是我们也开发了一个产品，实际上就是基于这些筛选和动物实验，最后形成了针对于肠道便秘的一个复合益生元，我们叫靶标益生新元。
而且我们在临床上也初步得到了非常好的效果，目前正在跟北京协和医院、中日友好医院、北京友谊医院开展临床使用。
总结与展望
实际上通过研发的大肠器官芯片，我们得到了几个结论：
它可以完全模拟我们的肠道环境，如皱褶、厌氧，我们还可以用不同的益生元筛选益生菌。
我们还可以用肠道器官芯片研究黏液层保护、降低炎症反应以及作用机制的研究。
近几年，我们团队还做了一系列的不同通量研究，也做了一些类器官芯片的工作。
我们现在也跟外部合作，希望利用器官芯片评价一些物质的功能、毒性。
实际上，我们用的器官芯片都是人源细胞，随着器官芯片不断优化，未来的发展趋势应该是：
就像这个人躺在像载玻片大小的一个片子中，片子上已经放置各种各样的器官芯片并组合在一起，然后将其它成起来，通过电信号，实现大规模、高通量筛选。
我们可以展望，人体器官芯片应该是一个更富有挑战的新目标，也应当是我国生物技术领域的“国之重器”。人体芯片系统应该可以为个性化治疗，包括一些药物的高效研发，提供一个高仿真度的技术平台，而糖生物学是当前研究大健康非常重要的一个科学基础。
让我们携手共享新技术的创新结果，共创营养糖生物学、肠道糖组学带给我们大健康的这个甜蜜梦想。
让我们一起努力。谢谢大家！